CC BY
140
Электропроводность и диэлектрическая дисперсия композитов поливинилхлорид - графит
Х. С. Алиева, М. М. Кулиевь, Р. С. Исмайиловаь, А. О. Оруджева
"Азербайджанский технический университет, пр. Г. Джавида, 25, г. Баку, AZ-1148, Азербайджанская Республика ьИнститут радиационных проблем НАН Азербайджана, ул. Б. Вагабзаде, 9, г. Баку, AZ-1143, Азербайджанская Республика, e-mail: rafiqa55@rambler.ru
Представлены и проанализированы диэлектрические свойства поливинилхлорид-графитных композитов в широком температурном (20-150°С) и частотном (25-106 Гц) диапазонах. Поли-винилхлорид-графитные композиты изготовили по порошковой технологии методом термопрессования в гидравлическом прессе с последующим резким охлаждением в смеси вода-лед (режим закалки). Диэлектрическая проницаемость и электропроводность поливинилхлорид-графитной композитной системы подчиняются степенному закону перколяционной теории. Порог перколяции этих композитов составляет ~ 6,35 об.% графита. При определенной концентрации графита поливинилхлорид-графитные композиты проявляют высокую диэлектрическую проницаемость, значительные потери и высокую электропроводность на постоянном и переменном электрическом поле. С ростом частоты приложенного поля диэлектрическая проницаемость уменьшается, а электропроводность, наоборот, увеличивается. Показано, что основным механизмом электропроводности в поливинилхлорид-графитных изоляционных диэлектриках является барьерно-прыжковый механизм, согласно которому прыжки электронов происходят по состояниям, локализованным в окрестности уровня Ферми. Рассмотрена также температурно-частотная дисперсия е' и tgS и выявлены особенности дисперсионных кривых.
Ключевые слова: композит, электропроводность, дисперсия, перколяция, ПВХ, графит, диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери.
УДК 537.31+546.05
1. ВВЕДЕНИЕ
Известно [1-2], что полимерные композитные материалы (ПКМ) на основе различных полимерных матриц с микро- и наноразмерными наполнителями органической и неорганической природы находят широкое применение в электрофизике, электротехнике, электронике, конденсаторной и кабельной технике. Эти материалы должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью, удельным объемным сопротивлением и низкими диэлектрическими потерями во всем рабочем диапазоне частот и температур. ПКМ на основе базовых полимеров состоят из полимерной матрицы, добавок и модифицирующих агентов, которые позволяют видоизменять диэлектрические, теплофизи-ческие и морфологические свойства полимеров. Свойства полимерных нанокомпозитов зависят от природы полимерной матрицы и наполнителя, их исходных свойств, размера и формы наполнителей, дисперсности частиц, обработки поверхности наполнителя, а также от взаимодействия и адгезии между полимерной матрицей и наполнителем. Выбор микро- и наночастицы для правильного применения зависит от ожидаемых электрических, механических и тепловых свойств. Разработка и исследование свойств
новых ПКМ в настоящее время являются одним из актуальных направлений развития современного материаловедения в решении ряда задач по обеспечению различных областей многофункциональными материалами, обладающими комплексом заданных свойств. При этом в последние два десятилетия большое внимание уделяется полимерно-графитным композитам [3-13]. Устойчивый интерес к этим композитам обусловлен их широкими возможностями для использования в производстве электротехнического оборудования с целью повышения его надежности, технологичности и экономичности. В широком температурном (30-180°С) и частотном (10-109 Гц) диапазонах исследуются концентрационные, температурные, частотные зависимости в', в", tg5 электропроводностей на переменном (АС) и постоянном (ДС) электрических полях ПКМ на основе различных полимерных матриц (полиэтилен, полипропилен, поливинил-хлорид, поливинилиденфторид, полиметилме-такрилат), наполненных дисперсным порошком графита. Полученные результаты объясняются в рамках теории перколяции. Показано, что диэлектрическая дисперсия и проводимость композитных систем проявляют сильную частотную зависимость в окрестности порога
© Алиев Х.С., Кулиев М.М., Исмайилова Р.С., Оруджев А.О., Электронная обработка материалов, 2017, 53(4), 39-46.
перколяции. С увеличением частоты диэлектрическая проницаемость уменьшается, а проводимость, наоборот, растет. Большие значения диэлектрической проницаемости имеют композиты с концентрацией графита около порога перколяции. Авторы [6] считают, что проведенные исследования могут быть использованы для описания транспорта носителей заряда в перко-ляционных композитных полимер-графитных системах.
Данные исследования проводятся с целью экспериментального изучения изменения величины объемного удельного сопротивления, электропроводности на постоянном и переменном полях, диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь микрокомпозитной среды на основе микрочастиц графита в полимерной матрице из поливинил-хлорида в зависимости от объемной концентрации приводящей фазы, температуры и частоты приложенного внешнего электрического поля и выявления характерных особенностей этих зависимостей.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
2.1. Получение материалов
В качестве полимерной матрицы в работе использовали порошкообразный поливинилхло-рид (ПВХ) плотностью 1,4 г/см3, температурой плавления 180оС и температурным коэффициентом линейного расширения 6-10-7 К-1.
Проводящим наполнителем служили частицы природного графита Завальевского месторождения (Украина) ЭУЗ-М (ГОСТ 10274-79). Температурный коэффициент линейного расширения графита ЭУЗ-М равен 7-10"6 К-1, плотность - 2,1 г/см3. Электропроводность графита в плоскости слоев достигает 104 (Ом-см)-1.
При изготовлении плоскопараллельных образцов ненаполненного ПВХ и ПВХ-Гр композитов применялась порошковая технология, которая включает в себя следующие операции:
- механическое дробление графита и получение путем просеивания через сито порошка графита с размерами частиц 50-63 мкм;
- получение путем просеивания через сито порошка ПВХ с размерами частиц не более 300 мкм;
- смешивание в фарфоровой ступке порошков ПВХ и графита;
- прессование гомогенной смеси порошков компонентов в гидравлическом прессе с нагреваемыми плитами при давлении 15 МПа с выдержкой при температуре 180оС в течение 5 мин и
получение образцов композитов в виде пластин толщиной 1,2 ± 0,01 мм и диаметром 26 мм с резким охлаждением в смеси лед-вода (режим закалки).
При получении варьировалась концентрация исходных компонентов. Все указанные в работе концентрации объемные. Режим изготовления композита позволяет получить повторяющиеся электрофизические параметры (электрическое сопротивление, емкость, диэлектрические потери, добротность) для основного количества образцов при одной и той же концентрации. Отдельные образцы, которые имели параметры, отличные от параметров основной группы (количество их было невелико), не учитывались при анализе. Предполагается, что наполнитель распределен в композите достаточно равномерно.
2.2. Методика измерений
Данные материалы исследовались на плоских конденсаторах по двухэлектродной системе в эквивалентной схеме параллельно соединенных резистора и конденсатора в диапазоне частот 25-106 Гц и температуры 20-150°С при амплитуде измерительного напряжения и = 1 В с применением специальной экранированной и заземленной обогреваемой измерительной ячейки типа «сэндвич», имеющей систему измерительного и потенциального электродов с диаметрами 20 и 26 мм. Температурные измерения проводились на частоте 1 кГц. Образцы помещались в измерительную ячейку с прижимными электродами из нержавеющей стали. Температура образца контролировалась с помощью термопары медь-константан. Центровка электродов обеспечивалась специальной оправкой в обогреваемой камере. Толщина испытуемых образцов определяла расстояние между электродами. Измерение электрической емкости С для дальнейшего расчета в' среды, тангенса угла диэлектрических потерь tg5, АС-проводимости оас в переменных полях осуществлялось в направлении, перпендикулярном плоскости прессования образцов с помощью широкополосного прецизионного измерителя иммитанса типа Е7-20. Затем на основании измеренных значений емкости С и геометрических размеров образцов стандартным методом определяли действительную
в ' (в' = С-й/во5, где - площадь плоского образца, й - толщина пленки) часть комплексной диэлектрической проницаемости. Измерение объемного электрического сопротивления Я0 (для дальнейшего расчета удельного объемного сопротивления и удельной объемной электропроводности айс) на постоянном токе осуществляли с помощью тераомметра Е6-13А при напряжении
100 В. Толщину образцов измеряли оптическим измерителем толщины ИЗВ-2. Обработка материалов осуществлялась с помощью стандартной компьютерной программы Microsoft Excel.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Электроизоляционный материал считается тем лучше, чем выше его электрофизические свойства. Последние характеризуются величинами удельного электрического сопротивления, электрической прочности (прочности на пробой), диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь. Значением этих характеристик и их зависимостью от агрессивных факторов (в частности, от влагопоглощения), температуры и частоты электрического поля обусловлен выбор ПВХ изоляционных композиций.
3.1. Зависимость свойств ПВХ-графитных композитов от состава
Результаты исследования зависимости на постоянном токе от объемного содержания (Ф) графита ри = ДФ) для ПВХ-Гр композитной системы представлены на рис. 1. Это монотонно падающая кривая с хорошо выраженным порогом протекания. Резкое уменьшение ри (увеличение проводимости) с увеличением Ф до 8% (ри чистого ПВХ 2-1013 Омм уменьшается до значении 2-102 Ом -м для композита ПВХ+8%Гр) происходит около порога (6%) перколяции. Величину перколяционного порога (Фп) находили как точку пересечения прямых линий, аппроксимирующих низкоомную ветвь и падающего участка характеристики. Согласно приведенным построениям, значение порога протекания Фп ~ 6,35 об.%, что соответствует данным [6] и находится в хорошем соответствии с известными представлениями перколяционной теории электропроводности. График состоит из трех участков: высокоомный (участок I) участок 0<Ф<4, где сопротивление определяется сопротивлением матрицы, участок максимального изменения ри 4<Ф<6 (участок II), где сопротивление композита уже не определяется сопротивлением матрицы, но еще и не определяется сопротивлением проводника, и участок (6<Ф<12, участок III) минимального сопротивления, где зависимость = ДФ) выражена слабо,
поскольку ри определяется сопротивлением проводника. На I участке большинство проводящих частиц изолированы друг от друга диэлектрическим слоем. Выше 8% уровень электропроводности обусловливается формированием сети проводящих каналов (кластеров) внутри полимерной матрицы.
Рис. 1. Концентрационные зависимости ри для ПВХ/Гр композитов.
Согласно теории перколяции, для случая Ф>Фп электропроводность композита в основном следует универсальному закону [6]:
ак = с„(Ф-ФпУ,
(1)
где см и Ф - электропроводность и объемная концентрация проводящего наполнителя; ск - электропроводность композита; Фп - порог протекания и ^ - критический индекс ДС-проводимости. Изменение вещественной части в комплексной диэлектрической проницаемости композита в окрестности порога протекания для случая Ф<Фп следует закону:
s = s.
Фп-Ф
Фг
(2)
где вм - диэлектрическая проницаемость матрицы и 5 - критический индекс вещественной части комплексной диэлектрической проницаемости. Критические индексы I и 5 являются универсальными параметрами и позволяют определить дисперсию удельной проводимости и диэлектрической константы композитов [14].
На рис. 2 показано изменение в' композитной среды ПВХ-Гр с изменением объемной концентрации графита. Резкое изменение (увеличение) диэлектрической проницаемости (в = 214) наблюдается при концентрации графита 6%об. Это в 35 раз больше диэлектрической проницаемости ПВХ матрицы. Такая большая в окрестности перколяционной концентрации диэлектрическая проницаемость, по мнению авторов [6], может быть обусловлена мини-конденсаторным эффектом. Мини-конденсаторы состоят из различных графитных слоев, разделенных тонкой изолирующей полимерной матрицей. Такие материалы используются в качестве дополни-
5
тельных слоев, регулирующих распределение поля в высоковольтных изоляционных конструкциях, изоляции емкостных накопителей энергии и т. д.
Ф, об. %
Рис. 2. Концентрационные зависимости в' для ПВХ/Гр композитов.
3.2. Температурная дисперсия аЛс, гас, в и tgS
Рис. 3а демонстрирует изменения (с, измеренные на постоянном электрическом поле с увеличением температуры для чистого ПВХ (кривая 1) и композитов (кривая 2 и 3) с концентрацией графита 1 и 2% соответственно. Видно, что до температуры стеклования (80°С) ПВХ электропроводность исследуемых образцов (ПВХ и ПВХ+1%Гр) слабо зависит от температуры. А затем происходит сравнительно резкое увеличение (с до конца температурной шкалы (до 150°С), то есть в этом диапазоне наблюдается область отрицательного температурного коэффициента (ОТК) сопротивления. Идентичный ход кривых в интервале 80-150°С свидетельствует о едином механизме переноса заряда в этом диапазоне. В случае композита ПВХ+2%Гр (кривая 3) с увеличением температуры до 50°С (с, незначительно увеличиваясь, проходит через максимум, а затем, уменьшаясь, достигает минимума при 75°С.
На рис. 3б приведены результаты температурной зависимости гас, измеренные на переменном электрическом поле, для ПВХ-Гр композитной системы. Видно, что увеличение концентрации графита в матрице ПВХ до 2% приводит к увеличению (Гас от 1,4-10-8 (Ом-м)-1 для чистого ПВХ до 1-Ю"6(Ом-м) для композита ПВХ+2%Гр. При этом ход температурной зависимости гас для всех образцов сохраняется: до 40°С гас практически остается постоянным, от 40°С до 80°С для чистого ПВХ гас незначительно уменьшается, а в случае композитов скорость степени уменьшения гас больше. При 80-85°С гас достигает минимума, затем увеличивается и проходит
через максимум при 105°С. С дальнейшим ростом температуры немонотонное изменение гас сохраняется, и при 135°С формируется второй минимум. Таким образом, зависимость гас = ^Т) на переменном токе обнаруживает по две области отрицательного и положительного температурного коэффициента (ОТК и ПТК) сопротивления соответственно. В работах [6, 15-21] авторы также наблюдали эффекты ОТК и ПТК сопротивления в различных композитных системах. Точный механизм этих эффектов достаточно сложный. Многие исследователи считают, что причиной роста объемного удельного электрического сопротивления являются особенности объемного расширения матрицы [6, 15-17]. Однако в [18] с целью выявления причины появления максимумов сопротивления (минимумов электропроводности) в пленках композитов на основе углеродных многостенных нанотрубок (УМСНТ) при 340 и 420 К авторы исследовали многослойный графит различной толщины, наблюдая выраженный максимум сопротивления (Яи) при 420 К, который связали с вероятностью увеличения концентрации собственных дефектов. Они считают, что графит не имеет идеальной структуры и характерным дефектом кристаллической структуры графита являются дефекты упаковки или дефекты в слоях, и предполагают, что и в УМСНТ имеются структурные дефекты, ответственные за максимум Яи при Т « 340 К.
Как видно из рис. 3б, в нашем случае подобное поведение функции гас = ДТ) наблюдается как для чистого ПВХ, так и для ПВХ-Гр композитов с концентрацией графита 1 и 2% соответственно. Поэтому предполагаем, что обнаруженные нами два минимума функции гас = ^Т) в большей степени обусловлены особенностью объемного расширения ПВХ и могут быть интерпретированы разрывом цепей протекания электрического тока по частицам проводящей фазы вследствие резкого увеличения объема полимерной матрицы в указанной температурной области. А в [19] авторы считают, что эффект ОТК, то есть уменьшение сопротивления с увеличением температуры в композитах на основе многостенных углеродных нанотрубок и полиэтилена высокой плотности, обусловлен агломерацией проводящих частиц. Они предполагают, что в полимерных композитах проводящие частицы разделены и окружены полимерной цепью. Агломерация проводящих частиц требует от граничащих с ними полимерных сегментов соответствующей размерам проводящей частицы подвижности, больше энергии для их агломерации. При исследовании электрических свойств
н г О
е
00
25 20 15 10 5
Рис. 3. Температурные зависимости adc (а) и aac (б) электропроводности для ПВХ/Гр композитов.
0,7
I 1 S.
1% ^ \
0,5% ^
0% , (
1 I
«э
ОЙ
50
100
150
т.°с
(а)
т, °с
(б)
Рис. 4. Температурные зависимости в' (а) и tgS (б) для ПВХ/Гр композитов.
композитов полистирол/углеродное нановолокно авторы [20] также наблюдали ОТК и ПТК эффекты. Они отмечают, что ПТК эффект, то есть увеличение сопротивления (уменьшение проводимости) с ростом температуры, скорее всего, обусловлен не углеродными нановолок-нами, а полимерной матрицей. При низких температурах наномолекулярные цепи полистирола действуют как жесткий стержень и молекулярное движение заторможено. При высоких температурах они релаксируют как произвольные спирали и легко двигаются. Как только температура становится выше температуры фазового перехода, движение макромолекуляр-ной цепи полистирола разрушает проводящие каркасы (кластеры) из углеродных нановолокон, тем самым способствуя увеличению сопротивления (уменьшению электропроводности) нано-композитов. В работе [21] эффект ОТК сопротивления объясняется наличием ионизационных примесей.
Температурные зависимости в' и tg5 композиционных образцов и чистого ПВХ, измеренные при 1 кГц, представлены на рис. 4. Видно, что для исходного ПВХ до 80°С (участок I) в' не
зависит от температуры, в интервале 80-125°С (участок II) растет, затем до конца температурной шкалы (участок III) опять остается неизменным (стабилизируется). В случае композитов ПВХ+0,5%Гр, во-первых, участок I сужается до температуры 35°С, затем в' медленно уменьшается и при 75 °С достигает минимума, а с дальнейшим ростом температуры до конца шкалы повторяет поведение функции в' = _Д7) исходного ПВХ. Для композитов ПВХ+1%Гр и ПВХ+2%Гр с ростом температуры до 35 °С в незначительно растет, затем, резко уменьшаясь при температуре стеклования ПВХ (80°С), достигает минимума и вновь растет, а после 125°С стабилизируется, то есть увеличение концентрации графита до 2% не изменяет ход функции в' = _ДТ) на участках II и III.
На приведенной зависимости tg5 = f(T) (рис. 4б) можно отметить следующие особенности:
1) до 80°С поведение функции tg5 = f(T) практически идентично поведению функции в' = _ДТ) и участок, где tg5 композитов практически остается постоянным, по сравнению с
Ш, Гц
-5
% -6 г
5 -7
ъ
я
° К
-9 -10
1 -1- ■ -Г 1
-
" 1% V -
0% | | |
(а)
0,6 0,5 0.4 0,3 0,2 0,1
| 1 ] 1
- \
]%
- 0%
. - ' т
18/, Гц
(в)
Рис. 5. Частотные зависимости <ас (а), е' (б) и tg5 (в) электропроводности для ПВХ/Гр композитов. для чистого ПВХ сокра-
таким же участком щается в два раза;
2) положение наблюдаемого при Т = 100°С максимума и 130°С минимума tg5 не зависит от процентного содержания графита в матрице.
Следует отметить, что поведение диэлектрических потерь исследованных образцов полностью коррелирует с температурным ходом их электропроводности на переменном электрическом поле (см. рис. 3б). Это позволяет считать, что диэлектрические потери в этих образцах обусловлены электропроводностью.
3.3. Частотная дисперсия <ас, е и tgS
Зависимости электропроводности оас, е' и tg5 в переменных полях чистого ПВХ и композитов ПВХ-Гр различных концентраций при комнатной температуре представлены на рис. 5. Изменение электропроводности <ас от частоты электрического поля в двойном логарифмическом масштабе демонстрирует рис. 5а. Все зависимости характеризует общее свойство -линейное возрастание проводимости с ростом частоты. Это свидетельствует о степенной зависимости электропроводности оас (оас ~ / п, где п - параметр или критический индекс проводимости, определяемый природой механизма
проводимости). Такой характер зависимости <ас от частоты говорит о прыжковом механизме переноса заряда и типичен для непроводящих материалов. Дисперсионная зависимость оас(/) ПВХ удовлетворяет условию <ас ~ / п, где п « 0,56. А для образцов композитов с концентрацией графита 1 и 2% выше 500 и 1-103 Гц соответственно области сравнительно сильной (п « 0,48 и п « 0,46 соответственно) зависимости проводимости (участок I) переходят к более слабой (п « 0,39 и п « 0,37) области (участок II). Во всех случаях критический индекс п удовлетворяет условию 0 < п < 1, что указывает на барьерно-прыжковый механизм АС-проводимости, согласно которому прыжки электронов происходят по состояниям, локализованным в окрестности уровня Ферми [22].
Видно, что для этих композитов значение критической частоты (частота, при которой происходит переход от участка I к II) с увеличением концентрации графита сдвигается в сторону высоких частот.
Отметим, что проводимость исследуемых образцов на переменном токе значительно больше проводимости на постоянном токе при комнатной температуре, так как является суммой двух составляющих - сквозной электропровод-
ности (как правило, совпадающей с электропроводностью на постоянном токе и обусловленной миграцией носителей заряда) и релаксационной (Аа") части, обусловленной частотно-индуцированной диэлектрической дисперсией, которая определяется совокупностью релаксационных процессов в полимере, наполнителе и на межфазной границе [23]:
= а* + А а", (3)
где а = 2%/- угловая частота; А - температурно-зависимое постоянное.
Рассмотрим результаты изменения реальной части комплексной диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь ПВХ и композитов на его основе. Зависимости в'(/) и tg5(/) представлены на рис. 5б,в. Видно, что в исследуемом диапазоне частот значение в' « 6 для ПВХ практически не зависит от частоты. С увеличением частоты наблюдается частотная дисперсия диэлектрической проницаемости для образцов с концентрациями 1 и 2%, но при этих частотах ни один из механизмов диэлектрической релаксации не проявляется, так как каких-либо характерных пиков, которые можно было бы связать с определенными типами молекулярной подвижности на рассмотренной зависимости, не наблюдается. в' имеет высокие значения при низких частотах и экспоненциально уменьшается с увеличением частоты. Уменьшение в' в основном приписывается [6] несоответствию межфазной поляризации композитов при высоких частотах приложенному внешнему электрическому полю, то есть считается, что при высоких частотах, электрическое поле так быстро изменяется, что поляризационные эффекты не успевают проявлять себя, и в' уменьшается.
С повышением концентрации графита от 1 до 2% при изменении частоты внешнего электрического поля от 25 до 106 Гц степень изменения (уменьшения) в' увеличивается и в случае композита ПВХ+2%Гр значение в' снижается примерно в 7,3 раза, а параметр Дв = (вс -вш), где вс и вш - соответственно низкочастотная и высокочастотные диэлектрические проницаемости, описывающие полную ширину дисперсии, оказывается равным 50,41.
Изменения tg5 композитов ПВХ-Гр с частотой показаны на рис. 5в. Видно, что и в этом случае во всем частотном диапазоне tg5 чистого ПВХ практически остается постоянным, а tg5 композитов с концентрацией графита 1 и 2% с увеличением частоты до 200 и 1-10 Гц соответственно растет и проходит через максимум, а затем до конца частотного диапазона уменьшается. Как и авторы работы [24], мы считаем, что рост проводимости композитов и, как следствие
этого, возрастание tg5 обусловлены увеличением концентрации свободных носителей заряда электронов, появление которых является следствием термоэлектронной эмиссии с уровней вблизи уровня Ферми на локальные состояния в щели запрещенной энергии композита уже при комнатной температуре. А уменьшение tg5 связано с тем, что под действием противоположного поля, приводящего при увеличении частоты к ослаблению электронной осцилляции, индуцированные заряды постепенно разрушаются.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Методом термического прессования были получены ПВХ-Гр композиты и в широком температурном и частотном диапазонах измерены их электропроводности на постоянном и переменном электрическом поле (ДС- и АС-электропроводности) и диэлектрические свойства. Показано, что ДС-электропроводность имеет перколяционный характер и с увеличением концентрации графита до 10% увеличивается более чем на 10 порядков. Обнаружено, что температурная дисперсия АС-проводимости композитов ПВХ-Гр (концентрация графита до 2%) имеет по две области положительных и отрицательных коэффициентов сопротивления, обусловленные особенностью объемного расширения ПВХ, и они интерпретируются разрывом цепей протекания электрического тока. Температурные зависимости в' и tg5 носят немонотонный характер.
Показано, что частотная дисперсия АС-проводимости композитов ПВХ-Гр в двойном логарифмическом масштабе обнаруживает два линейных участка с n1 = 0,48 и n2 = 0,39 для композита ПВХ-1%Гр и n1 = 0,46, n2 = 0,37 для композита ПВХ-2%Гр. Для исходного ПВХ n = 0,56. С увеличением концентрации графита и частоты критический индекс n имеет тенденцию к уменьшению. Основным механизмом АС-проводимости в диэлектриках композитной системы ПВХ-Гр является барьерно-прыжковый механизм. Можно предполагать, что проводимость в композитах осуществляется за счет переноса электронов через микрочастицы графита, и причиной этого обстоятельства является возможное непрямое туннелирование электронов между частицами через промежуточные локализованные состояния. Частотная дисперсия в' в диапазоне 25-106 Гц не обнаруживает диэлектрическую релаксацию.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ple§a I., Notinger P.V., Schlögl S., Sumereder C. et al.
Polymers. 2016,8(5),173. doi:103390/polym8050173;
www.mdpi.com/iournal/polvmers.
2. Hussain F., Hojati M., Okamoto M., Gorga R.E. J Comp Mat. 2006, 40, 1511-1575.
3. Velayutham T.S., Ahmad A.B., Abd Majid W.H. and Neon G.S. Jurnal Fizik Malaysia. 2008, 29(1-2), 25-28.
4. Kalaitzidou K., Fukushima H. and Drral L.T. Compos Part A Appl Sci Manuf. 2007, 38(7), 1675-1682.
5. Sachdev V.K., Srivastava N.K., Kamblesh Kumar, Mehra R.M. Materials Sciense-Poland. 2005, 23(1), 269-277.
6. Chao Li Yu, Robert Kwok Yiu Li and Tjong Sie Chin. J Nanomater. 2010, Article ID261748, 10 p.
7. Panwar V., Mehra R.M., Park Jong-Oh, Park Suk-ho. J Appl Polym Sci. 2012, paper 242, 10 p.
8. Panwar V., Park J.O., Park S.H., Kumar S. et al. J Appl Polym Sci. 2010, 115, 1306-1314.
9. Zheng W. and Wong S.-C. Compos Sci Technol. 2003, 63(2), 225-235.
10. Chen G., Weng W., Wu D. and Wu C. Eur Polym J. 2003, 39(12), 2329-2335.
11. He F., Lau S., Chain H.L. and Fan J. Adv Mater. 2009, 21(6), 715-719.
12. Li Y., Li R.K.Y. and Tjong S.C. E-Polymers. 2009, (19), 1-13.
13. Sachdev V.K., Srivastava N.K., Kamlesh Kumar, Mehra R.M. Materials Sciense-Poland. 2005, 23(1), 269-277.
14. Ушаков Н.М., Запсис К.В., Кособудский И.Д. Письма в ЖТФ. 2003, 29(22), 29-32.
15. Ansari S. and Giannelis E.P. J Polym Sci Pol Phys. 2009, 47(9), 888-897.
16. Fournier J., Boiteux G., Seytre G. and Marichy G. J Mater Sci Lett. 1997, 16(20), 1677-1679.
17. Song Y., Pan Yi., Zheng Q. and Xiao-Su Yi. J Polym Sci Pol Phys. 2000, 38(13), 1756-1763.
18. Бабаев А.А., Хохлачев П.П., Теруков Е.И., Николаев Ю.А. и др. ФТТ. 2015, 57(2), 404-407.
19. He X.J., Du J.H., Ying Z. and Cheng H.M. Appl Phys Lett. 2005, 86, 062112-1-062112-3.
20. Liang G.D. and Tjong S.C. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2008, 15(1), 214-220.
21. Соцков В.А. ЖТФ. 2005, 75(9), 56-59.
22. Liu Y. and Gong A. Trans Nonferrous Met Soc China. 2006, 16, 439-443.
23. Barrau S., Demont P., Peigney A. and Lacabanne C. Macromolecules. 2003, 36(114), 5187-5194.
24. Белова В.А., Бородзюля В.Ф., Иванова Т.Ф., Капралова В.М. и др. ЖТФ. 2015, 85(4), 110-113.
Поступила 22.02.17 После доработки 28.03.17 Summary
The paper deals with the dielectric properties of polyvinylchloride (PVC)-graphite (Gr) composites in a wide range of temperatures (20-150°С) and frequencies (25-106 Hz). The PVC-Gr composites have been prepared using powder technology by a thermal pressing method in a hydraulic press followed by a rapid cooling in the mixture of water-ice (quenching mode). The dielectric permittivity and electrical conductivity of the PVC-Gr composite system obeys the power law of the percolation theory. The percolation threshold of these composites is 6%vol. of Gr. At certain graphite concentrations, the PVC-Gr composites exhibit a high dielectric permittivity, high loss and high DC- and AC-conductivity. When increasing the applied field frequency, the dielectric constant decreases, while the electrical conductivity, on the contrary, increases. It is shown that the main mechanism of the AC-conduction in the PVC-Gr insulating dielectrics is the barrier-hopping, according to which electron jumps occur over the states localized near the Fermi level. In addition, the temperature-frequency dispersion e' and tgS was considered and the peculiarities of dispersion curves were revealed.
Keywords: composite, electrical conductivity, dispersion, percolation, polyvinylchloride, graphite, dielectric permittivity, dielectric loss.
